Автореферат диссертации на тему Инженерно-геологические основы сейсмического микрорайонирования территории г. Одессы. Фесенко А.В. E-mail: alexey @ fesenko.eu

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Необходимость проведения исследований по анализу инженерно-геологических условий и инженерно-геологической оценке сейсмической опасности территории г. Одессы базируются на следующих факторах:

- территория г. Одессы находится в зоне 6-и балльных сейсмических воздействий (по данным общего сейсмического районирования СССР 1981 года) и зоне возможных 6 - 7 балльных сейсмических воздействий (по данным общего сейсмического районирования Северной Евразии, выполненного в 1997 году институтом физики Земли АН России);

- более 90% территории города находится в весьма неблагоприятных, в сейсмическом отношении, инженерно-геологических условиях;

- за последние 20-30 лет произошли существенные негативные изменения инженерно-геологических условий (значительный подъем уровня грунтовых вод, все более широкое распространение насыпных грунтов и планировка рельефа, изменение инженерно-геологических свойств грунтов);

- жилой фонд города в пределах исторического центра, районов Молдаванки, Слободки, Пересыпи находится в очень плохом (аварийном и предаварийном) состоянии;

- необходимости интерпретации региональной инженерно-геологической информации на базе современных информационных технологий (ГИС, цифрового пространственного моделирования и геостатистики).

Связь работы с научными программами, планами, темами. Диссертационная работа выполнена в рамках научно-исследовательских работ кафедры инженерной геологии и гидрогеологии Одесского национального университета им. И.И. Мечникова, в которых непосредственно принимал участие автор: госбюджетной темой «Совершенствование теории и методологии прогнозирования нестационарных периодических физико-геологических процессов на морских берегах», 2000-2002 гг., Г.Р. № 0100U002869; темой «Изучение и прогноз оползней в Одесской области», 2000-2002 гг., Г.Р. № 0100U001449.

Диссертационная работа связана с тематикой региональных геологических, эколого-инженерно-геологических научно-производственных работ Причерноморского регионального государственного геологического предприятия (Причерномор ГРГП, г. Одесса), проводимых по территории Одесской и Николаевской областей, в которых непосредственно принимал участие автор: «Эколого-инженерно-геологические исследования левого берега Бугского лимана м-ба 1:25 000», 2002 г.; «Мониторинг экзогенных геологических процессов в Одесской, Николаевской и Херсонской областях в 1998-2001 гг.», 2002 г., Г.Р. № У-99-69/15, титул 465; «Разработка региональной геологической информационной системы Северо-Западного Причерноморья», 2002 - 2003 гг., титул 494 и др.

Цель исследований – разработка инженерно-геологических основ сейсмического микрорайонирования (СМР) и оценка степени локальной сейсмической опасности территории г. Одессы за счет инженерно-геологических условий.

Задачи исследований:

- анализ региональных сейсмических и сейсмогеологических условий Северо-Западного Причерноморья и Восточных Карпат;

- уточнение методики анализа инженерно-геологических условий для целей СМР территории Одессы;

- разработка (обновление, дополнение и уточнение) картографических инженерно-геологических основ сейсмического микрорайонирования территории г. Одессы;

- выполнение инженерно-геологической оценки степени локальной сейсмической опасности территории г. Одессы.

Объект исследований – инженерно-геологическая среда территории г. Одессы.

Предмет исследований – инженерно-геологические условия, как факторы изменения степени локальной сейсмической опасности.

Методы исследований. Методы общего сейсмического районирования использованы для получения данных об общих сейсмических условиях территории Восточных Карпат и Северо-Западного Причерноморья.

Методы детального сейсмического районирования Восточных Карпат и прилежащих территорий позволили уточнить сейсмоопасные зоны для г. Одессы, их особенности и степень региональной сейсмической опасности.

Методы региональных исследований (геологического картирования, геолого-структурные, геоморфологические методы), инженерно-геологического и гидрогеологического районирования использованы при построении различных тематических геологических, инженерно-геологических карт. Полевые методы исследований использовались при проведении геологических и инженерно-геологических наблюдений.

Статистические, геостатистические и картографические методы использовались при построении всех аналитических карт на базе геоинформационных технологий.

При разработке модели инженерно-геологического районирования и оценки степени локальной сейсмической опасности использованы механико-математические основы инженерной геологии в комплексе с методами системного анализа и теории инженерно-геологического подобия.

Методы сейсмического микрорайонирования использованы для оценки величин приращения сейсмической интенсивности.

Для комплексного геолого-геоморфологического анализа использованы методики, реализованные на базе ГИС технологий и технологий цифрового моделирования [4,5,6,11,12]. Во все вышеназванные методики автором были внесены доработки для целей адаптации методик к инженерно-геологическим условиям территории г. Одессы.

Научная новизна полученных результатов.

1. Уточнена и доработана методика создания инженерно-геологических основ СМР для территории г. Одессы, которая позволяет оптимизировать комплекс инженерно-геологических исследований для целей СМР за счет наиболее полного учета инженерно-геологических условий: разработка карт инженерно-геологических условий на основе ГИС технологий и технологий цифрового моделирования, выполнение специального инженерно-геологического районирования, выполнение предварительной инженерно-геологической оценки степени локальной сейсмической опасности [1,2,3].

2. Предложена уточненная методика специального комплексного (типолого-оценочного) инженерно-геологического районирования, позволяющая в условиях наличия ограниченных объемов инструментальной сейсмологической информации выделять однородные по инженерно-геологическим условиям элементы, определять степень их однородности и выполнять по ним оценку степени локальной сейсмической опасности с учетом существующих теоретических основ сейсмического микрорайонирования [3,1].

3. Предложено использование картографической модели предварительной инженерно-геологической оценки степени локальной сейсмической опасности (в качестве инженерно-сейсмо-геологической модели по Сергееву Е.М., 1985), реализованной на базе методов вероятностного инженерно-геологического моделирования и пространственного анализа с учетом теоретических и эмпирических основ сейсмического микрорайонирования [3,5,4].

4. Дана оценка значимости, по теоретическим и эмпирическим данным СМР отдельных инженерно-геологических факторов, влияющих на приращение сейсмической интенсивности по территории города [2,3].

5. Обновлен и уточнен комплект инженерно-геологических карт по территории Одессы для целей комплексной оценки степени сейсмической опасности, включая карту инженерно-геологической оценки степени локальной сейсмической опасности (построена впервые) и карту специального инженерно-геологического районирования территории города (м-ба 1:25 000) для целей СМР (обновлена и уточнена) [2,3,9,10,12].

6. Получены уточненные данные о сейсмических условиях региона и сейсмической опасности, для территории Одессы, отдельных сейсмических зон: выделены и охарактеризованы 53-и сейсмически активные области (по данным об очагах землетрясений с 1000 по 2004 г.) для целей изучения их уровня сейсмической опасности и параметров возможных сейсмических воздействий, необходимых для оценки степени локальной сейсмической опасности Одессы. Как наиболее опасные для Одесского региона определены области расположенные в пределах гор Вранча, округов Бузау, Иаломита, Сату Маре с Mmax – 6.5-7.7 и средней наблюденной частотой землетрясений – 35-50 , 100, 200 лет [1,2].

7. Впервые выполнена оценка пространственной изменчивости максимальных возможных величин приращения сейсмической интенсивности (DI) по территории города геостатистическими методами. Так, пространственная изменчивость величины DI составляет -1 – (+1,75) балла, при среднем значении – +0.9 балла [1,2,3,9]. Эти оценки должны быть учтены на этапе инженерно-сейсмологических исследований, как полуколичественные показатели степени изменчивости инженерно-геологических условий.

Практическое значение полученных результатов. Обновлены, уточнены и дополнены карты инженерно-геологических условий на 2001-2003 гг., карты специального комплексного инженерно-геологического районирования и инженерно-геологической оценки степени локальной сейсмической опасности (построена впервые) территории г. Одессы (м-ба 1:25 000 и 1:50 000) [1,3]. Данные инженерно-геологические основы могут быть рекомендованы для использования научными и производственными организациями для целей предварительной оценки степени сейсмической опасности и решения широкого круга инженерно-геологических задач.

Материалы диссертационных исследований использовались в следующих научно-исследовательских темах кафедры инженерной геологии и гидрогеологии ОНУ им. И.И. Мечникова: «Совершенствование теории и методологии прогнозирования нестационарных периодических физико-геологических процессов на морских берегах», Г.Р. № 0100U002869, 2000-2002 г.; «Изучение и прогноз оползней в Одесской области», 2000-2002 г., Г.Р. №  0100U001449. В учебной работе кафедры инженерной геологии и гидрогеологии ОНУ им. И.И. Мечникова результаты исследований использовались: при проведении практических занятий по курсам «Инженерно-геологическое моделирование и прогнозы», «Методы инженерно-геологических исследований», «Инженерная геодинамика» и при разработке курсов учебных практик по специальности гидрогеология в 2000-2003 гг.

Разработанные в диссертации методики геолого-геоморфологического анализа, создания геологических, инженерно-геологических, гидрогеологических геоинформационных систем использовались в следующих научно-производственных работах Причерноморского регионального геологического предприятия: создание государственной геологической карты листа L-36-II (Вознесенск) – Г.Р. № 39-91-83/2, 1997-1998 гг.; создание государственной геологической карты листа L-36-I (Любашевка) – титул 455., 1999-2000 гг.; создание объяснительной записки к государственной геологической карте Украины листа L-36-II (Вознесенск) масштаба 1:200 000, 2000 г. [6]; разработка эколого-геологической геоинформационной системы по левому берегу Бугского лимана; разработка геолого-геоинформационной системы по территории Северо-Западного Причерноморья – титул 494 [5,12]; создание карт инженерно-геологического районирования Одесской области масштаба 1:500 000 по степени опасности экзогенных геологических процессов, 2001-2002 гг. – титул 465, Г.Р. № У-99-69/15 [7,12].

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов базируется на основе использования комплекса методов: ОСР, ДСР, СМР, геологических и инженерно-геологических методов исследований. Реализация данных методов исследований выполнена на основе ГИС технологий и технологий цифрового моделирования с использованием методов математической статистики и имитационного моделирования, а также следующих научно-методических подходов, использованных при проведении диссертационных исследований [5,12,4]:

• уточнение принципов и алгоритмов анализа исходных данных;

• определение программных технологий описания строения и свойств изучаемых объектов;

• предварительная оценка степени достоверности исходных данных по статистическим и геостатистическим критериям;

• фильтрация и отбраковка некондиционной геологической и инженерно-геологической информации;

• оценка статистических и геостатистических распределений изучаемых инженерно-геологических характеристик;

• оценка взаимосвязей между изучаемыми характеристиками; разработка программно-методических моделей решения основных инженерно-геологических задач;

• контрольная проверка и оценка точности инженерно-геологических построений на основе исходных данных и выявленных закономерностей.

Исходными данными для разработки темы послужили первичные и аналитические материалы региональных геолого-съемочных – более 1000 скважин и шурфов глубиной 15-50 м в пределах г. Одессы, гидрогеологических – данные по 350 гидрогеологическим режимным скважинам, региональных и детальных инженерно-геологических работ – тематические фактографические материалы масштабов 1:10 000 - 1:200 000, проведенных, по территории г. Одессы с 1960 по 2003 гг., такими организациями как: ПРГРЭ (сейчас Причерномор ГРГП), Одесское противооползневое управление (сейчас управление инженерной защиты территории г. Одессы), центром инженерных изысканий г. Одессы, Одесским национальным университетом им. И.И. Мечникова, Молодежной научно-исследовательской геологической ассоциацией “Магма”. При анализе региональной сейсмической опасности использовались данные об очагах землетрясений и сейсмических событий Кишиневской сейсмостанции, данные о землетрясениях в СССР и Украине, данные международной и европейской сейсмических служб, а также геологической службы США. Для целей геолого-геофизической интерпретации структуры сейсмически активных областей использовались сведения о мощностях земной коры, поверхности Мохоровичича и поверхности астеносферы, по данным В. Б. Соллогуба, 1986 г.

Построенные картографические инженерно-геологические основы, по степени кондиционности, для центральной части г. Одессы, соответствуют масштабу 1:25 000, для остальной части территории они кондиционны в масштабах 1:50 000 – 1:100 000, что связано со степенью инженерно-геологической изученности территории по состоянию на 2003 год [3].

Основные защищаемые научные положения.

I. Анализ региональных сейсмических и сейсмогеологических данных позволяет сделать вывод о том, что основой сейсмического микрорайонирования Одесской промышленно-городской агломерации должен быть учет влияния на локальную сейсмическую опасность комплекса природных и техногенных факторов определяющих особенности инженерно-геологических и сейсмических условий на основе их пофакторного изучения и оценки.

II. Выполненное изучение существующих методик и результатов региональных инженерно-геологических исследований для целей СМР позволяет заключить, что разработка и уточнение инженерно-геологических основ СМР могут быть выполнены на базе методов вероятностного инженерно-геологического моделирования и пространственного анализа с учетом теоретических и эмпирических основ сейсмического микрорайонирования. Это необходимо в связи со сложностью инженерно-геологических условий данного региона, необходимостью учета большого комплекса инженерно-геологических факторов (геологического строения, геоморфологических условий, глубин залегания грунтовых вод, физико-механических и сейсмических свойств горных пород) и необходимостью оценки достоверности полученных результатов.

III. Выполненное изучение инженерно-геологических условий г. Одессы для целей СМР, позволяет сделать заключение о том, что результатом разработки инженерно-геологических основ СМР должны быть две уточненные пространственно-временные картографические основы: карта специального комплексного (типолого-оценочного) инженерно-геологического районирования масштаба 1:25 000 и карта инженерно-геологической оценки степени локальной сейсмической опасности масштаба 1:25 000.

IV. Выполненная инженерно-геологическая оценка степени локальной сейсмической опасности территории г. Одессы позволяет заключить, что данная территория имеет высокую степень локальной сейсмической опасности, которая по средней величине приращения сейсмической интенсивности, оцененной на основе метода специального комплексного инженерно-геологического районирования, составляет 0,75 - 1,25 балла по шкале MSK-64 и в зависимости от инженерно-геологических условий может изменяться от -1 до +1,75 балла, при степени изменчивости в 0,2-0,4 балла в пределах выделенных инженерно-геологических подрайонов.

Личный вклад соискателя. Диссертация является самостоятельной научной работой, в которой рассмотрены разработки, которые принадлежат автору. В работе содержатся те концептуальные положения, выводы, методические подходы, которые сформулированы непосредственно соискателем научной степени. На использование положений других авторов, в работе имеются соответствующие ссылки. В работе [4] автором выполнена разработка методики и технологии цифрового структурно-тектонического, геолого-геоморфологического анализа и многопараметрического оценочного районирования при решении региональных прогнозно-поисковых задач. В работе [6] автором выполнен структурно-геоморфологический, морфометрический и структурно-неотектонический анализ по территории ГДП-200, а также совместно с соавторами принимал участие в построении карт четвертичных и дочетвертичных отложений. В работе [7] автором выполнено дешифрирование КФС по данной территории и описание методики работ.

Апробация результатов диссертации. Результаты исследований докладывались на следующих конференциях и совещаниях: Другої науково-технічної конференції „Сучасні небезпечні геологічні процеси. Вплив на довкілля. Нові технології прогнозування та захисту” (г. Алушта, 2004 г.), П`ятої Всеукраїнської науково-технічної конференції „Будівництво в сейсмічних районах України” (Ялта, 2004 г.), региональном совещании «Возможности современных ГИС/ДЗЗ - технологий в решении проблем Причерноморского региона» (Одесса, 2003 г.); совещании «Вопросы сейсмостойкого строительства» (Одесса, 2003 г.); I-й международной конференция «Геоинформатика: теоретические и прикладные аспекты» (Киев, АН Украины, 2001 г.); I-м научно-производственном совещании геологов-съемщиков Украины (Гурзуф, 2001 г.); международной конференции молодых ученых геологов (Львов, ЛНУ, 2001 г.); 5-й Всероссийской научной конференции молодых исследователей с международным участием (Москва, МГУ, МГТУ, 1999 г.); всеукраинской конференции «Новые методы в аэрокосмическом землеведении» (Киев, ИГН НАНУ, 1999 г.); ежегодных научных конференциях в Одесском национальном университете им. И.И. Мечникова (г. Одесса, 1996-2004 г.).

Публикации. По теме диссертационных исследований опубликовано 12 научных работ, из них: 5 статей в научных изданиях по специальности, 4 статьи в сборниках научных работ, 3 статьи в тезисах конференций. Всего в соавторстве 6 публикаций.

Структура и объем работы. Работа состоит из текстовой части (154 страницы, 9 таблиц), 32 иллюстрации, приложений. Всего 179 страниц, 40 стр. текстовых приложений, 4 картографических приложения. По структуре – работа состоит из: введения, 5-и разделов и выводов. Список литературы содержит 121 наименование литературных и фондовых источников.

Работа выполнена на кафедре инженерной геологии и гидрогеологии Одесского национального университета им. И.И. Мечникова под руководством доктора геолого-минералогических наук И.П. Зелинского и доктора геолого-минералогических наук Е.А. Черкеза, которым автор весьма благодарен за научно-методическую поддержку исследований. Автор благодарен доц. В.И. Шмуратко, доц. Е.С. Штенгелову, доц. М.Ф. Ротарю за научно-методическую поддержку при написании диссертации, д-ру г.-м. наук Шестопалову В.М., д-ру технических наук Яковлеву Е.А. и д-ру г.-м. наук Лущику А.В. за консультационную и научную поддержку авторских исследований. Также, автор благодарен ведущим геологам Причерномор ГРГП Иванову А.И, Арбузовой Л.С., а также Шварцу Г.А. и кандидату г.-м. наук Тюреминой В.Г. за консультационную и производственно-методическую поддержку при разработке инженерно-геологических основ СМР Одессы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Раздел 1. Изученность и состояние научной проблемы. Анализ инженерно-геологических условий и инженерно-геологическая оценка степени локальной сейсмической опасности проводились в масштабах 1:25 000 – 1: 50 000 по территории г. Одессы (площадь 156 км²) и прилегающих окрестностей (площадь 102 км²). Исследования региональных сейсмических условий проводились по территории Северо-Западного Причерноморья, Восточных и Южных Карпат, Молдове – общей площадью более 25 000 км², в масштабах 1: 1 000 000 – 1: 2 500 000.

Изучение геологического строения Одесского региона началось с конца ХVIII века. Наиболее полные сведения содержались в работах Н.П. Барбота де Марни, И.Ф. Синцова, Н.А. Соколова, Н.И. Андрусова и др. Вопросам всестороннего изучения неогеновых и четвертичных отложений посвящены работы Г.И. Молявко, В.Н. Семененко, М.Ф. Веклича, Н.М. Ильницкой, И.Я. Яцко, А.Д. Чепалыги, П.В. Гожика, Ю.Г. Баландина и многих других.

С 1960 по 2003 год Причерноморским региональным геологическим предприятием по территории Одесского региона проведен комплекс региональных геологических, гидрогеологических и инженерно-геологических работ масштабов 1:25 000 – 1:200 000 (М.А. Коган, В.С. Бруяко,  М.Ф. Ротарь, Л.С. Арбузова, А.И. Иванов, В.Г. Тюремина , А.И. Караван и др.). В 1982 г. Причерномор ГРГП выполнены специализированные комплексные геологические исследования для целей сейсмического микрорайонирования Одессы (Арбузова Л.С. и др.) в масштабе 1:25 000 и построена карта предварительной оценки приращения сейсмической балльности за счет УГВ (по состоянию на 1979-1982 гг.).

Из сейсмологических исследований следует отметить, работы по сейсмическому районированию СССР (ОСР-81), выполненные в 1978-1982 гг. АН СССР и работы института физики Земли АН России (В.И. Уломов , 1997 г.) по сейсмическому районированию Северной Евразии (ОСР-97). По данным ОСР-97, а также работ по ОСР и ДСР территории юго-западной части Украины и Восточных Карпат, проведенных институтом геофизики им. С.И.Субботина в 1995-2000 гг. (Кендзера А.В., Пустовитенко Б.Г, Омельченко В.Д., Сафронова О.Н. и др.) территория Одессы находится в зоне 6-и и 7-и балльных сейсмических воздействий.

Проблема влияния локальных инженерно-геологических факторов на приращение сейсмической интенсивности детально рассмотрена в работах ученых академии наук Украины, академии наук России и стран СНГ. Огромный вклад в исследования данных вопросов внесли: С.В. Медведев, Г.П. Горшков, Т.П. Москаленко, И.Д. Гофштейн, В.И. Джурик и многие другие. Вопрос о влиянии состава горных пород на интенсивность сейсмических воздействий затрагивается во многих работах (Садовский, 1946; Штейнб, Ругге, Моран, 1957; Медведев, 1962). Сведения о влиянии грунтов на балльность землетрясения приводятся в работах К.И. Богдановича, Г. П. Горшкова, Д. И. Мушкетова, В. О. Цшохера, С. В. Медведева, А. Г. Назарова, А. К. Сафаряна, Е. И. Бюса, В. В. Попова и др. На основании интерпретации многочисленных материалов по сейсмическому микрорайонированию С. В. Медведев (1962) разработал таблицу приращения сейсмической интенсивности в зависимости от литологического состава грунтов. В 1979 г. Касымовым С.М. установлено, что с увеличением мощности рыхлых отложений (лессовидных пород) приращение сейсмической интенсивности закономерно увеличивается на один балл.

Под инженерно-геологической основой ОСР, ДСР и СМР Касымовым С.М. (1979) понимается совокупность комплексных природных и техногенных факторов, определяющих как инженерно-геологические, так и сейсмогеологические условия территории под какое-либо строительство.

Результаты предыдущих исследований однозначно доказывают, что сейсмическая интенсивность, на земной поверхности, может меняться от +2 до -2 баллов в различных инженерно-геологических условиях. Причем наиболее опасными, в сейсмическом отношении, являются области распространения рыхлых обводненных грунтов.

Таким образом, основными факторами изменения степени локальной сейсмической опасности являются: геологическое строение, геоморфологические и гидрогеологические условия, физико-механические и сейсмические свойства инженерно-геологических комплексов, экзогенные геологические процессы. Из техногенных факторов, это – подтопление территорий, подработка территорий (катакомбы, мины), распространение насыпных грунтов и застройка территорий.

Раздел 2. Методика исследований. Анализ степени региональной сейсмической опасности проведен по следующей методике: 1) выделение потенциально опасных сейсмически активных областей; 2) оценка фактической повторяемости землетрясений различной магнитуды, в пределах каждой из выделенных сейсмически активных областей; 3) оценка ожидаемых значений параметров сейсмических воздействий, на основе установленных эмпирически соотношений между параметрами воздействия, магнитудой и расстоянием от источника землетрясения – гипоцентральным или эпицентральным. Выделение сейсмически активных областей проводилось на основании комплекса геолого-геофизических характеристик по методике ОСР-81. Основные из них: удельная плотность очагов землетрясений, максимальные фактические магнитуды, глубинность очагов землетрясений, частота землетрясений и глубинное строение литосферы. Основная особенность методики выделения сейсмически активных областей – объединение очагов землетрясений в группы (зоны) однородные по комплексу изучаемых геолого-геофизических характеристик для целей определения статистически представительных, для каждой зоны, параметров входящих в уравнение макросейсмического поля (по ОСР-81) – М, D, h, определение средних фактических частот сейсмических событий и максимальных наблюденных (фактических) магнитуд землетрясений, а также данных о направлениях движения поверхностных сейсмических волн от каждой выделенной зоны к г. Одессе, что использовалось для учета усиления или ослабления интенсивности сейсмических воздействий за счет изменения геоморфологических условий. Затем проводилась коррекция закона распределения параметров воздействия в результате учета влияния инженерно-геологических условий по территории Одессы.

Методы региональных исследований – геологического картирования, геолого-структурные, геоморфологические методы, инженерно-геологического и гидрогеологического районирования использованы для целей анализа инженерно-геологических условий. При проведении анализа инженерно-геологических условий территории Одессы использовались данные об основных стратиграфо-генетических комплексах, мощностях четвертичных элювиально-эолово-делювиальных отложений в пределах плато и их склонов, мощностях аллювиальных и аллювиально-морских отложений в пределах Куяльницко-Хаджибейской пересыпи и прилежащих террас, глубинах залегания первого от поверхности водоносного горизонта, особенностях распространения подземных выработок (катакомб) в понтических известняках. Выделены основные геоморфологические элементы, проанализированы инженерно-геологические свойства основных стратиграфо-генетических комплексов и инженерно-геологических элементов, получены сведения об изменчивости данных свойств.

Для целей определения сложности и степени изменчивости инженерно-геологических условий, как факторов изменения степени локальной сейсмической опасности предложена методика специального комплексного инженерно-геологического районирования (СКИГР) [3]. Оценка значимости влияния того, или иного, инженерно-геологического фактора на степень локальной сейсмической опасности основана на существующих теоретических и практических результатах предыдущих исследований, рассмотренных в таблице 1. Объектом исследований, при проведении СКИГР, являются инженерно-геологические таксономические единицы – районы, подрайоны и участки, притом. Наиболее однородными по инженерно-геологическим и сейсмическим свойствам являются элементы ранга подрайонов и участков – аналог сейсмических микрорайонов.

На основании полученных данных об инженерно-геологических условиях выполнено специальное комплексное инженерно-геологическое районирование территории Одессы. Районирование позволило выделить однородные по инженерно-геологическим свойствам элементы (в плане) и в их пределах – рассчитать величины приращений сейсмической интенсивности, как для типовых, так и частных условий.

Методика оценки сейсмической опасности территории г. Одессы базируется на методах общего и детального сейсмического районирования, сейсмического микрорайонирования.

Оценка величин приращения сейсмической интенсивности по территории города выполнена на основе существующих теоретических представлений и эмпирических данных о взаимосвязи величины приращения сейсмической интенсивности с инженерно-геологическими и сейсмическими свойствами геологической среды. Для данных целей применялось следующие методы:

· ориентировочная оценка приращения сейсмической бальности по категории грунта (по СНиП II-7-81) и по УГВ – на основе качественной оценки степени сейсмической опасности;

· оценка приращения сейсмической интенсивности на основе метода сейсмических жесткостей – по формуле Медведева, с учетом УГВ;

· количественная оценка возможных величин приращения сейсмической интенсивности (в баллах по шкале MSK-64) с учетом сейсмической жесткости пород, УГВ, мощностей четвертичных отложений, геоморфологических факторов (глубиной расчленения рельефа, крутизной и аспектом склонов) и углом подхода поверхностных сейсмических волн к земной поверхности, как функции усиления или ослабления воздействия геоморфологических факторов на интенсивность колебаний приповерхностной грунтовой толщи.

Основные региональные и локальные инженерно-геологические критерии, использованные при выполнении оценки степени локальной сейсмической опасности, рассмотрены в таблице 1.

В "Рекомендациях по сейсмическому микрорайонированию" (РСМ-73, п. 4.7) принято, что при микрорайонировании участков, сложенных лёссовыми породами, за "средние грунты" принимаются незамоченные лёссовые породы с глубоким уровнем грунтовых вод (> 8 м). Данные рекомендации использованы для определения «средних грунтов».

Основное отличие методики исследований от общепринятой методики СМР в: а) использовании вероятностного подхода при построении карт инженерно-геологических условий; б) использовании теоретических и эмпирических данных инженерной сейсмологии (Джурик В.И и др., 1988) о взаимосвязи сейсмичности с инженерно-геологическими условиями при разработке инженерно-сейсмологической модели (по Золотарёву, 1990) возможных величин приращения сейсмической интенсивности.

При построении карт инженерно-геологических условий и районирования, а также моделей сейсмической опасности использовались геоинформационные технологии и технологии цифрового моделирования, реализованные в таких программных продуктах как: ArcInfo 9.0, Erdas Imagine 8.6, TNT Mips 6.6.

Специальное комплексное инженерно-геологическое районирование и оценка степени локальной сейсмической опасности позволяют [3,1,2]:

· выделить однородные инженерно-геологические элементы и оценить по ним средние значения величин приращения сейсмической интенсивности, степень однородности элементов;

· определить значимость отдельных инженерно-геологических факторов в формировании сейсмической опасности конкретных участков;

· провести оценку степени локальной сейсмической опасности в условиях отсутствия инструментальной сейсмологической информации по Одесскому региону;

· получить инженерно-геологические и сейсмические характеристики по инженерно-геологическим элементам (в плане и разрезе).

Раздел 3. Региональные сейсмические условия. Общие сейсмические условия в пределах территории Одесского региона определяются максимальной возможной интенсивностью землетрясений в 6 баллов – по данным ОСР-81, и по данным общего сейсмического районирования Северной Евразии – 7 баллов (карты B-C).

Согласно материалам современных геолого-геофизических исследований института геофизики им. С.И.Субботина, проведенных в 1995-2000 гг. (Кендзера А.В., Пустовитенко Б.Г, Омельченко В.Д., Сафронов О.Н. и др.) в пределах территории Восточных Карпат и юго-западной части Украины, выделяется 4 потенциальные зоны ВОЗ и 15 сейсмогенерирующих зон, среди которых основными являются зона Вранча, район Добруджы и ряд местных локальных зон в пределах западной Украины. В связи с тем, что протяженность некоторых выделенных зон ВОЗ и сейсмогенерирующих зон превышает 300-400 км возникают сложности при расчетах возможно макросейсмического эффекта от каждой из выделенных зон, т.е. необходимо разбиение зон ВОЗ на их составляющие в связи с необходимостью оценок расстояний до данных зон, направлений распространения сейсмических волн, максимальных энергетических уровней и т.п. Для этих целей нами выполнено уточнения границ сейсмически активных областей. Проведен пространственно-временной анализ сведений об очагах землетрясений по территории Восточных Карпат, Молдовы и Северо-Западного Причерноморья. Для этих целей использовались материалы Кишиневской сейсмостанции, данные о землетрясениях в СССР и Украине, а также данные международных сейсмических станций за 1980-2003 годы. Всего более 4000 землетрясений с М>3 с 984 по 2003 гг. В результате проведенного анализа построены карты глубин и магнитуд очагов землетрясений, плотности и повторяемости землетрясений по методике общего и детального сейсмического районирования.

В результате анализа сейсмической активности в Восточных Карпатах и прилегающих территориях были получены следующие характеристики [2,1]:

· глубина очагов землетрясений достигает 220 км, основное их число приходится на глубины 0-10, 30-40, 90-100 и 125-155 км, в интервале магнитуд – 5-7.7 и глубин – 40-220 км наблюдается резкое повышение энергии землетрясений с глубиной;

· фактическая повторяемость землетрясений с магнитудами более 7.5 – один раз в 100-200 лет (в различных сейсмически активных областях), 7-7.5 – один раз в 30-50 лет, 6,5-7 – один раз в 10 лет, с 5,5-6,5 – один раз в 2-5 лет, и с магнитудами 4-5 – 1 раз в год.

В пределах изучаемой территории нами выделено 53 сейсмически активные области, показанные на рисунке 1. Наиболее опасными, в сейсмическом отношении, являются зоны, расположенные в пределах округов Румынии: Бузау, Вранча, Иаломита, Ловеч, Сату Маре, Васлуе. Выделено 9 зон с Mmax > 6, 20 зон с Mmax > 5, и 33 зоны с Mmax < 5 [2,1]. Для каждой из сейсмически активной области оценены характеризующие их параметры: магнитуды, глубины очагов, характеристики слоев литосферы, высоты рельефа, координаты и площадь зон.

Раздел 4. Инженерно-геологические условия территории Одессы. В геологическом строении приповерхностной части осадочного чехла территории Одессы принимают участие верхнемиоценовые и плиоцен-четвертичные отложения. Верхнемиоценовые отложения представлены сарматским, мэотическим и понтическим ярусами, плиоценовые отложения – куяльницким ярусом, крыжановскими, ильичевскими и березанско-береговскими слоями. Четвертичные отложения представлены 20-25 метровой толщей элювиально-эолово-делювиальных лессовидных, аллювиальных и смежных с ними пород.

В геоструктурном отношении территория расположена в пределах северного крыла Причерноморской впадины, наложенной на структуры Восточно-Европейской платформы, в пределах юго-западного и южного склонов Украинского щита. Для территории Северо-Западного Причерноморья по геолого-тектоническим и геолого-геоморфологическим данным и для г. Одессы по данным анализа структур осадочного чехла наиболее характерными являются северо-западное (310° - 350°) и северо-восточное (10° - 50°) направления разрывных нарушений [10].

По геоморфологическим условиям, исследуемая территория расположена в пределах Причерноморской лессовой аккумулятивной низменности, в районе Днестровско-Бугской лессовой равнины.

Основными экзогенными геологическими процессами в пределах территории г. Одессы являются: процессы морской и лиманной абразии, оползневые и обвальные процессы, просадочные процессы в лессовых отложениях

На территории широко развит карст, который связан с понтическими известняками, проявляется в виде мелких форм – полостей, пустот, каверн, пещер. Очень широко в пределах толщи понтических известняков развиты трещины, особенно на расстояниях до 500-800 м от склонов балок и оврагов.

Густая сеть подземных горных выработок в известняках (катакомбы) существует в черте г. Одессы и прилегающих к ней районах (сел Усатово, Нерубайское, Свердлово, Б. Дальник и др.). Глубины выработок колеблются от 1,5 до 30 м, а общая протяженность составляет более 1500 км.

Основным водоносным горизонтом в приповерхностной 20-и метровой части геологического разреза является водоносный горизонт в толще четвертичных отложений. Наибольшим развитием пользуется водораздельный вид режима, для которого характерны сезонные колебания уровней грунтовых вод. При глубинах залегания грунтовых вод 5-15 м амплитуда колебания составляет 0,3-0,7 м, а при глубинах 3-5 м – 0,8-1,2 м. С техногенными факторами связаны колебания УГВ в 1-1,5 метра за 5-7 (до 10) лет [1,3]. Полученные данные о среднем многолетнем УГВ вынесены на карту инженерно-геологических условий и использованы при оценке приращений сейсмической интенсивности.

В результате анализа геологических, геоморфологических и гидрогеологических условий территории г. Одессы, с учетом специального комплексного инженерно-геологического районирования, нами установлены следующие закономерности [3]:

· мощность четвертичных отложений в пределах плато и его склонов зависит, во-первых – от глубины расчленения рельефа земной поверхности (коэффициент корреляции – 0.8-0.9), во-вторых – от абсолютных отметок кровли дочетвертичных отложений (коэффициент корреляции - (-0.7) - (-0.8));

· уровень грунтовых вод в пределах склонов плато зависит от крутизны и глубины расчленения рельефа (коэффициент корреляции – 0.9-0.95), а в пределах плато уровенный режим грунтовых вод определяется преимущественно техногенными факторами;

· в пределах выделенных элементарных геоморфологических и инженерно-геологических элементов (ниже ранга подрайонов 1-го порядка) зависимости между природными геолого-геоморфологическими факторами, влияющими на режим грунтовых вод, существенно усиливаются (коэффициент корреляции достигает значений – 0,95 - 0,98).

Раздел 5. Инженерно-геологическая оценка степени сейсмической опасности территории г. Одессы. При проведении оценки возможных величин приращения сейсмической интенсивности использовались следующие расчетные параметры: величина сейсмической жесткости толщи четвертичных отложений (в пределах плато), инженерно-геологические свойства выделенных инженерно-геологических элементов, средние погоризонтные мощности четвертичных отложений. Расчет сейсмической жесткости проводился по уравнению Медведева с поправкой на УГВ. Также учитывались геоморфологические факторы – глубина расчленения рельефа и аспект склонов (таблица 1). В результате получена модель суммарной величины приращения сейсмической интенсивности (рис. 2).

Также на качественном уровне, как области возможных изменений интенсивности сейсмических воздействий, выделены: приразломные зоны, области распространения подземных выработок, области распространения просадочных грунтов большой мощности.

Установлено, что на большей части территории Одессы может происходить усиление интенсивности сейсмических воздействий за счет существующих инженерно-геологических условий.

Пространственная изменчивость величины приращения сейсмической интенсивности (DI) составляет -1 – +1,75 балла. На 87,7% территории суммарное приращение сейсмической интенсивности превышает 1 балл, а на 5% территории сейсмический балл может быть понижен до (-0,5) – (-1). Исходный балл сохранится на 13% территории. А на 39,9% территории – приращение сейсмического балла превышает 1,5. Таким образом, благоприятными в сейсмическом отношении (DI < 0,5) являются менее 20 процентов исследуемой территории [1,3].

На основе цифровых моделей приращения сейсмической интенсивности проведен расчет средних значений DI по историческим районам г. Одессы и типовым инженерно-геологическим элементам. Наиболее сейсмоопасными, с данной точки зрения, являются такие исторические районы города как: Центр, Аркадия, Слободка, поселок Котовского, Сахалинчик, Воронцовка, Ближние Мельницы, Молдаванка (сев. часть), Черноморка, Большевик, Куяльник, где средняя величина приращения сейсмической интенсивности превышает 1 балл.

Выявлены наиболее опасные факторы изменения DI в г. Одессе – мощность четвертичных отложений (среднее DI по городу – 0,3-0,5) и УГВ (среднее DI – 0,5-0,75). При среднем DI за счет сейсмической жесткости – +0,2-(-0,2), за счет геоморфологических факторов – +0.1-(-0.1).

Степень локальной сейсмической опасности территории города, оцененная на основе метода специального комплексного инженерно-геологического районирования по средней величине приращения сейсмического балла, составляет 0.75-1.25 балла, при средней величине изменчивости DI по инженерно-геологическим подрайонам – 0,2-0,4 балла [1].

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Уровень сейсмической опасности Одесского региона составляет 6 - 7 баллов (по данным методов ОСР-81, ОСР-97). Он определяется наличием более 10 крупных сейсмически активных областей в Восточных Карпатах и прилегающих территориях, со средней фактической повторяемостью сильных землетрясений с M > 7 один раз в 100, 200 лет. Из выделенных сейсмически активных областей наиболее опасными являются области гор Вранча, округов Бузау, Иаломита, Сату Маре с Mmax – 6,5-7,5 со средней фактической повторяемостью один раз в 35-50 лет [2].

Выполнена разработка методики специального комплексного инженерно-геологического районирования (СКИГР) и оценки степени локальной сейсмической опасности территории Одессы, которые позволили: выделить однородные инженерно-геологические элементы, оценить по ним средние значения величин приращения сейсмической интенсивности и определить степень их однородности [3].

На большей части территории Одессы может происходить усиление интенсивности сейсмических воздействий за счет существующих инженерно-геологических условий. Пространственная изменчивость величины приращения сейсмической интенсивности (DI) по территории города составляет -1 – +1,75 бал